刘志，字意，生于永建七年（132年），是汉章帝刘炟曾孙，河间孝王刘开之孙，蠡吾侯刘翼之子，母匽明。刘志在其父刘翼去世后，继承蠡吾侯的爵位。
本初元年（146年），梁太后征召刘志到洛阳城夏门亭，打算将她的妹妹嫁给刘志。闰六月初一日，大将军梁冀毒死九岁的汉质帝。梁太后便与兄大将军梁冀决策宫中，闰六月初七日，派梁冀持符节，以王青盖车接刘志入南宫，当日即皇帝位，时年十五岁，是为汉桓帝。仍由梁太后临朝听政。七月初二日，葬汉质帝于静陵。
本初元年（146年）九月戊戌日，追尊祖父河间孝王刘开为孝穆皇，刘开的夫人赵氏为孝穆皇后，父亲蠡吾侯刘翼为孝崇皇。十月十二日，尊母亲匽明为孝崇博园贵人。
建和元年（147年），立妃梁女莹为皇后。建和二年（148年）四月初三日，封弟弟刘硕为平原王；尊父亲刘翼的夫人马氏为孝崇园贵人。和平元年（150年）五月十九日，尊母亲博园贵人郾明为孝崇皇后。
永康元年（167年）十二月二十八日，汉桓帝在德阳前殿去世，时年三十六岁。建宁元年（168年）二月十三日，葬于宣陵，上谥号孝桓皇帝，庙号威宗。
刘志小时生性放荡与宦官张让有断袖之情，后被梁太后发现，梁太后和梁翼则利用张让监视汉桓帝，汉桓帝因而对梁氏不满，就想方设法的诛灭梁氏。延熹二年（159年）八月，汉桓帝联合宦官单超、徐璜、具瑗、左悺、唐衡五人定计诛灭梁氏。八月初四日，汉桓帝在前殿，诏令司隶校尉张彪领兵围梁冀邸第。收缴大将军印绶，梁冀与妻子都自杀了。卫尉梁淑、河南尹梁胤、屯骑校尉梁让、越骑校尉梁忠、长水校尉梁戟等及中外宗亲数十人，都被诛杀。太尉胡广因此免职。司徒韩纟寅、司空孙朗下狱。五位宦官因功同日受封侯爵，当时被称为“五侯”。
五侯得势后，比外戚更加腐败，他们对百姓们勒索抢劫，民不聊生，四处怨声载道，汉朝政治更加衰颓，国势益弱。汉桓帝统治后期，一批太学生看到朝政败坏，便要求朝廷整肃宦官、改革政治。宦官气急败坏，在延熹九年（166年）与德扬天下的司隶校尉李膺发生大规模冲突。汉桓帝大怒，下令逮捕替李膺请愿的太学生二百余人，后来在太傅陈蕃、将军窦武的反对下才释放太学生，但是禁锢终身，不许再做官，史称“党锢之祸”。